NOWAK-BÖTTGER, Sonja (Am Würzgarten 3, Oestrich-Winkel, 65375, DE)
NOWAK-BÖTTGER, Sonja (Am Würzgarten 3, Oestrich-Winkel, 65375, DE)
| P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Heizen einer Glasschmelze zur Herstellung von Glasfasern, mit einem Kanal (2, 6), der mindestens einen Boden und Seitenwände für die Aufnahme der Glasschmel- ze(1 ), aufweist und mit Elektroden (18, 18a, 18b, 18c), die durch die elektrisch leitfähige
Wandung des Kanals hindurchgeführt und in die Glasschmelze (1 ) eingetaucht sind für eine elektrische Widerstandsheizung der Glasschmelze , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elektroden (18, 18a, 18b, 18c), die mit verschiedenen Polen einer Stromquelle verbindbar sind von oben in die Glasschmelze eintauchen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Wandung des Kanals eine Decke des Kanals umfasst, durch welche die Elektroden hindurchgeführt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Kanalwandung bei einer zur Glasfaserherstellung erforderlichen Temperatur einen spezifischen elektrischen Widerstand hat, der höchstens ein Fünftel des spezifischen elektrischen Widerstandes einer Glasfaserglasschmelze hat.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Kanalwandung Chromoxid ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus dem lichten Abstand (20) zwischen zwei benachbarten Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) unterschiedlichen Potentials, geteilt durch lichten Abstand (21 ) einer der Elektroden (18, 18a,
18b, 18c) zu einer Wand (7, 8) unterhalb des maximal von Glasschmelze beaufschlagten Niveaus in dem Kanal kleiner als 2,75, bevorzugt kleiner als 1 ,5 und größer als 0,1 ist und/oder der Quotient aus dem Abstand (20) zwischen zwei benachbarten Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) geteilt durch den Abstand einer Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) zu dem Boden (9) kleiner als 3,5, bevorzugt kleiner als 1 ,5 und größer als 0,1 ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aussparung in einer Decke (10) des Kanals (2, 6) eine Durchtrittsöffnung (35) für einen Elektrodenstab bildet oder durch ein oder mehrere Verschlusselemente (11 ) verschlossen ist, wobei ein Verschlusselement (11 ) eine Durchtrittsöffnung (35) für eine Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) aufweist oder ein oder mehrere Verschlusselemente (11 ) beim Verschließen einer Aussparung durch ihre Form miteinander oder mit der Aussparung eine Durchtrittsöffnung (35) für eine Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) bilden, wobei der Querschnitt einer Durchtrittsöffnung dem Außenquerschnitt des hindurchgeführten Elektrodenabschnittes mit übermaß entspricht, um einen Isolierspalt zu bilden.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decke (10) des Kanals (6) mit der Glasschmelze (1 ) in Kontakt steht.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) in der Mitte zwischen zwei sich in Längsrichtung des Kanals (2, 6), erstreckenden Seitenwänden (7, 8) positioniert ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (6) wenigstens zwei Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) in Längsrichtung des Kanals hintereinander angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mit Glasschmelze beaufschlagten Bereich des Kanals der lichte Abstand einer Elektrode zu der Kanalwandung mindesten 1 mm, bevorzugt mindestens 5 mm und bis zu 300 mm beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis A/B der Breite (A) des Kanals zu der maximalen Ausdehnung (B) einer Elektrode bzw. eines Stromverteilers (27) einer Elektrode in Breitenrichtung des Kanals (6) zwischen 1 ,003 und 40, insbesondere zwischen 1 ,1 und 4, bevorzugt zwischen 1 ,2 und 2,5 liegt
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis C/D der Höhe (C) des Kanals zu der in vertikaler Richtung gemessenen Stärke (D) einer Elektrode bzw. des Stromverteilers einer Elektrode zwischen 2 und 50, insbesondere zwischen 4 und 30 liegt
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass o- berhalb der Decke des Kanals (2, 6) ein Oberofen (26) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) durch den Oberofen hindurchgeführt ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Decke (10) einer hitzebeständigen Chromoxid-Auskleidung des Kanals (2, 6) eine Durchtrittsöffnung (35) vorgesehen ist, durch die die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c), die mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, von oben in die Glasschmelze (1 ) eintauchen und die Glasschmelze (1 ) aus E- oder C-Glas homogen beheizen.
16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Verwendung bei der Herstellung von E- und C- Glasfasern durch Schmelzen von Vormaterial zu einer Glasschmelze (1) gewünschter Viskosität, wobei die Glasschmelze (1 ) über einen Chromoxid-Hauptkanal (2) in einen oder mehrere Seitenkanäle (6) zugeführt wird, die aus dichtem Chromoxid-Material aufgebaut sind, und denen eine Rühranlage (3), in der ein Rührer (5) vorgesehen ist, vorgeschaltet ist, und die Glasschmelze (1 ) zu mindestens einer beheizten Glasfaserziehdüse (13) weitergeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer hitzebeständigen Decke (10) des
Hauptkanals (2) aus Chromoxid und der Decke (10) des Seitenkanals (6) aus Chromoxid, die in die Glasschmelze (1 ) eingetaucht sind, eine rechteckige Aussparung (19) vorgesehen ist, durch die die Elektroden (18, 18a, 18b, 18c), die mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, von oben in die Glasschmelze (1 ) eintauchen.
17. Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) zum Heizen von geschmolzenem Glas mittels Joulescher Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) einen hochwarm- festen Elektrodenstab (24, 24a) mit einer langgestreckten Form aufweist, der ein Anschlussende und ein Eintauchende aufweist, wobei der Elektrodenstab (24, 24a) von einer oxidati- ons- und hitzebeständigen Chromoxidhülse (25) über einen Teil seiner Länge umgeben ist, die an oder nahe bei dem Anschlussende des Elektrodenstabs (24, 24a) endet.
18. Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) nach Anspruch 17, , dadurch gekennzeichnet, dass an dem Anschlussende ein Befestigungsflansch (23) angeordnet ist, der Befestigungsmittel für die Befestigung an einem Bauteil aufweist, an dem ein Stromversorgungsanschluss vorgesehen ist.
19. Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Eintauchende des Elektrodenstabs (24, 24a), ein vorzugsweise stab- oder Plattenförmiger elektrisch leitfähiger Stromverteiler (27) angeordnet ist, .
20. Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stromverteiler (27) wenigstens zwei, bevorzugt eine gerade Mehrzahl, wie z. B. zwei, vier oder sechs, stabförmige, elektrisch leitfähige Stromeinleitungsstäbe (28), die sich horizontal, d. h. rechtwinklig zu dem Elektrodenstab erstrecken und parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind, und über den Stromverteiler elektrisch leitend verbunden sind.
21. Elektrode nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen stabförmigen Stromverteiler (27) und sich rechtwinklig von diesem erstreckende, ebenfalls stabförmige Stromeinleitstäbe (28) aufweist.
22. Elektrodenanordnung, bestehend aus mindestens zwei Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , die in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) den gleichen Abstand von dem Boden des Kanals haben.
23. Elektrodenanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromverteiler (27) von zwei benachbarten Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) parallel zueinander ausgerichtet sind.
24. Elektrodenanordnung nach Anspruch 22 oder 23, bei der wenigstens zwei Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) nach einem der Ansprüche 12 bis 16 in einem Kanal nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stromeinleitungsstab (28) einer Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) zu einem Stromeinleitungsstab (28) einer benachbarten Elektrode (18, 18a, 18b, 18c) fluchtend angeordnet ist.
25. Verfahren zur elektrischen Beheizung einer Glasschmelze (1 ) in einem Kanal, dessen Wandmaterial elektrisch leitfähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei von oben in eine in dem Kanal aufgenommenen Glasschmelze (1 ) eintauchenden Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) eine elektrische Spannung angelegt wird, die einen Stromfluss durch die Glasschmelze (1 ) bewirkt, wodurch diese beheizt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 unter Verwendung von Elektroden bzw. einer Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21 bzw. 22-24 durchgeführt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26 zur Herstellung von E- oder C- Glasfasern durch Schmelzen von Vormaterial zu einer Glasschmelze (1 ) gewünschter Viskosität, Zuführung dieser Glasschmelze (1 ) über einen Hauptkanal (2) in einen oder mehrere elektrisch beheizte Seitenkanäle (6), die aus dichtem Chromoxid-Material aufgebaut sind, und Weiterführung dieser Schmelze zu mindestens einer beheizten Glasfaserziehdüse (13), dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene E- oder C-Glas über einen oder mehrere Hauptkanäle (2) aus Chromoxid in einen oder mehrere aus dichtem Chromoxid zugestellte Seitenkanäle (6), denen mindestens eine direkt elektrisch beheizte Rühranlage (3), in der ein Rührer (5) vor- gesehen ist, optional vorgeschaltet ist, und die geschlossen zur Atmosphäre sind, geleitet wird und durch Stromdurchgang mittels durch die Decke (10) aus Chromoxid, die in die Glasmasse (1 ) eingetaucht ist, von oben eingeführte Elektroden (18, 18a, 18b, 18c) elektrisch beheizt wird. |
Vorrichtung und Verfahren zum elektrischen Heizen einer Glasschmelze
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen einer Glasschmelze zur Herstellung von Glasfasern, mit einem Kanal, der mindestens einen Boden und Seitenwände für die Aufnahme der Glasschmelze aufweist, und mit Elektroden, die in die Glasschmelze eingetaucht sind für eine elektrische Widerstandsheizung der Glasschmelze
Als Kanal wird im Sinne der Erfindung auch ein beliebig geformter Behälter verstanden, aus dem flüssiges Glas abgezogen und gegebenenfalls neue Glasschmelze nachgeführt wird, so dass der Behälter eine Durchströmung mit Glas aufweist.
Weiter betrifft die Erfindung Elektroden zum Heizen von geschmolzenem Glas mittels Joulescher Wärme sowie Elektrodenanordnungen der Elektroden in einer entsprechenden Vorrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektrischen Beheizung einer Glasschmelze in einem Kanal.
Vorrichtungen der oben genannten Art mit einem oder mehreren Kanälen, die eine Glasschmelze führen, werden zur Herstellung von Gegenständen aus Glas verwendet, um das flüssige Glas zu einer formgebenden Vorrichtung zu leiten. Insbesondere werden Glasfasern mit Hilfe derartiger Vorrichtungen hergestellt indem man das flüssige Glas aus Düsen im Boden eines solchen Ka- nals austreten lässt und die dabei entstehenden Glasfasern aufwickelt.
Das Aufschmelzen des Glases geschieht dabei üblicherweise in einer Schmelzwanne, an die sich ein Hauptkanal anschließt, über den mehrere Glasverteilerkanäle gespeist werden. Diese Kanäle sind nach dem Stand der Technik offen zur Atmosphäre und seit den 1980er Jahren häufig aus dichtem Chromoxid-Feuerfestmaterial aufgebaut. Dieses Material ist vorteilhaft, da es ohne unangenehme Begleiterscheinungen für die Glasfaserherstellung nur sehr gering korrodiert. Allerdings wird das Glas durch die in der Schmelzwanne und in den Kanälen verwendete Chromoxidausmauerung grün gefärbt Oberhalb des Glasspiegels sind üblicherweise Brenner für fossile Brennstoffe vorgesehen. Beim Düsenziehverfahren für Glasfasern, typischerweise aus E-Glas oder borfreiem E-Glas, fließt dieses aus dem Kanal in unter dem Boden des Kanals installierte
Platin-Düsen, die in Längsrichtung, aber auch in Querrichtung zu dem Chromoxid-Kanal angeordnet sind. Die aus der Düse austretenden Glasfäden werden von einem Spulkopf mit hoher Geschwindigkeit aufgewickelt.
Zur Atmosphäre hin offene Kanäle, die eine Glasschmelze führen, haben den Nachteil, dass o- berhalb des Glasspiegels eine Verdampfung einiger Bestandteile der Glasmasse stattfindet, insbesondere bei konventionellem E-Glas. Die erforderlichen Brenner oberhalb des Glasspiegels haben ebenfalls einen Einfluss auf die Kanalatmosphäre, und bei Druckschwankungen kommt es zu Glasstandschwankungen und damit zur Ablösung von Rückständen (Kristallen). Kristalle, Chemische sowie thermische Schlieren sind Ursache für die Abrisse einzelner Elementarfasern, deren Durchmesser nur wenige tausendstel Millimeter betragen. Auch die Brennerdüsen der Brenner für fossile Brennstoffe verursachen durch Verbrennungsprodukte Probleme dadurch, dass Verunreinigungen ins Glas gelangen und zu den erwähnten Fadenabrissen führen.
Mit der bei der Glasfaserherstellung üblichen Beheizung mit Brennern über der Oberfläche des Glasspiegels werden keine homogenen Temperaturen erzielt. Bei dem durch die Chromoxid- Auskleidung der Schmelzwanne und den Kanälen grün gefärbtem E-Glas ist die Eindringtiefe der Wärme-Strahlung wesentlich geringer als bei einer farblosen Glasmasse, was zur Folge hat, dass die Temperaturen am Boden eines Kanals wesentlich niedriger sind als an der durch fossile Brennstoffe beheizten Glasoberfläche. Beim Vermischen unterschiedlich temperierter Glasschmelzen gleicher chemischer Zusammensetzungen entstehen thermische Schlieren, die in hohem Maße für Fadenabrisse mitverantwortlich sind.
Glas stellt im flüssigen Zustand einen Stromleiter dar, sodass es möglich ist, Gläser mit Hilfe von elektrischem Strom Energie zuzuführen, die zum Beheizen des Glases im Kanal erforderlich ist. Die Leitfähigkeit eines Glases ist ionenbedingt und hängt von der Konzentration und der Beweglichkeit der im Glas vorhandenen Metallionen ab. Ferner ist die Beweglichkeit der Ionen von der Viskosität des Glases abhängig. Jede Viskositätserhöhung des Glases führt zu einer Verschlechterung der Leitfähigkeit. Beim Erhitzen von alkalifreiem Fiberglas durch Stab-Elektroden wird die Wärme wegen der Grünfärbung des Glases und wegen des hohen spezifischen elektrischen Widerstandes, sowie der starken Temperaturabhängigkeit von der Viskosität in einem bestimmten konzentrierten Bereich im Glasbad umgesetzt, sodass die Konvektion der Glasmasse eingeschränkt ist. Durch diese Merkmale neigt die Glasschmelze zur Selbstendregelung. Dies bedeutet, dass sich der zugeführte Strom in den heißeren Glasschichten konzentriert und sich bevor- zugte Strombahnen in den heißeren Zonen ausbilden. Diese werden dadurch mehr und mehr erwärmt, wodurch immer mehr Stroms durch sie fließt, da hier der Widerstand immer geringer wird. Dieser Endregelungseffekt wird durch eine typische Glasfließgeschwindigkeit im Kanal von weniger als 13 cm/min, noch verstärkt .
Das Erhitzen mit Stromwärme durch das Leiten von elektrischem Strom durch schmelzflüssiges E-Glas mittels Elektroden ist bekannt und wird in Kanälen für Glasschmelze, vor allem bei einer feuerfesten Auskleidung der Kanäle mit dichtem Zirkonmaterial, mit Erfolg benutzt, da der spezifi- sehe elektrische Widerstand des Zirkonmaterials höher ist als der des E-Glases.
In der DE 31 11 484 sind Stab-Elektroden für den Einsatz in Kanälen, die eine Glasschmelze führen, erwähnt, wobei die Elektroden vorzugsweise aus Molybdän in einen Halter aus hitzebeständigem Material, vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, eingepasst sind. Die Halter der E- lektroden können je nach Einsatzort eine Wasserkühlung oder Rippenkühlkörper besitzen. Als Elektrodenmaterial können auch Molybdän, Wolfram aber auch PGM-Werkstoffe (Platinum Group Metals) oder auch deren Legierungen in Glasschmelze führenden Kanälen eingesetzt werden. Molybdän hat sich aufgrund seiner Werkstoffeigenschaften als Material für Elektroden in E-Glas bewährt.
Bei einer weiteren zum Stand der Technik gehörenden Konstruktion (DE 10 15 989) wird ein E- lektrodenhalter mit einer Molybdänelektrode zum Nachschieben gezeigt, die durch eine Bohrung im Wannen- oder Kanalseitenstein eingeführt wird. Der Halter der Elektrode muss gekühlt werden, um Glasaustritt durch die Bohrung zu vermeiden. Außerdem muss für eine inerte Atmosphä- re gesorgt werden, um das Molybdän vor Oxidation zu schützen. Die vorgenannten Stabelektroden haben den Nachteil, dass diese nur sehr bedingt in E-Glas führenden Kanälen verwendet werden können, die eine korrosions- und hitzebeständige dichte Chromoxid-Auskleidung der Seitenwände und des Bodens aufweisen. Das Chromoxid-Material besitzt eine erheblich bessere spezifische Leitfähigkeit als das darin befindliche alkalifreie Fiberglas, wodurch es beim Einsatz der Stabelektroden in den Seitenwänden oder im Boden derartiger hitzebeständiger Auskleidung zu Kurzschlussströmen durch die hitzebeständige Chromoxid-Auskleidung kommt, was zu einer Zerstörung der Chromoxid-Wandung führen kann.
In den beiden Schriften DD 216707 und DD 232909 ist je ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhitzen von geschmolzenem E-Glas beschrieben, bei denen eine hitzbeständige Chromoxid-Auskleidung Verwendung findet. Durch die Seitenwand sind Stabelektroden in die Glasschmelze eingeführt. Um Kurzschlussströme zu verhindern, wird die hitzebeständige Chromoxid- Auskleidung der Kanäle an den Außenwänden gekühlt, um so an den betreffenden Wänden einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand des Chromoxid-Materials zu erreichen. Um Kurzschlussströme zu vermeiden, muss die Temperatur der Chromoxid-Seitenwand und/oder Bodenwand beträchtlich abgesenkt werden. Das Kühlen der Wände von glasführenden Kanälen, hier insbesondere das E-Glas, birgt besondere Nachteile hinsichtlich der Temperaturführung und der Qualität des E-Glases in Bezug auf Kristalle und thermische Schlieren, die ursächlich für die
Abrisse der einzelnen Elementarfasern verantwortlich sind. Dass das Kühlen der Seitenwände von glasführenden Kanälen, die bis zu 200 bzw. 300 m lang sein können, nicht ökonomisch ist, versteht sich von selbst.
In der Druckschrift US 4,737,966 ist eine elektrische Schmelzwanne beschrieben, bei der das aufzuschmelzende Glas von oben chargiert wird. Durch das aufzuschmelzende Rohmaterial hindurch sind vertikal stabförmige Elektroden geführt, die in das darunter liegende flüssige Glas im Vergleich zur Tiefe der Glasschmelze nur geringfügig eintauchen. Diese Stabelektroden liegen elektrisch alle auf demselben Potenzial. Auf dem Boden der Schmelzwanne sind Gegenelektro- den angeordnet, zu denen elektrischer Strom von den von oben eingeführten Elektroden fließt. Die Glasschmelze wird durch den Stromfluss beheizt. Die Seitenwände können aus Chromoxid bestehen, um einen geringeren Verschleiß zu erreichen. Ein Stromfluss durch das Chromoxid und damit seine überhitzung werden dadurch verhindert, dass das Chromoxid auf dasselbe e- lektrische Potenzial wie die von oben eingetauchten Elektroden gebracht wird. Nachteilig an die- ser Lösung ist es, dass die von den einzelnen Elektroden erzeugte Heizleistung nicht unabhängig voneinander eingestellt werden kann und die Temperaturenverteilung in der Glasschmelze inhomogen ist. Zudem müssen die Bauteile aus Chromoxid elektrisch isoliert aufgebaut werden, um sie auf einem bestimmten elektrischen Potenzial halten zu können.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie entsprechende Elektroden, Elektrodenanordnungen und ein Arbeitsverfahren bereitzustellen, die es erlauben, eine homogenere Temperaturverteilung der Glasschmelze zu erreichen, wodurch die Qualität der Glasfasern verbessert und unbeabsichtigte Abrisse der Fasern vermieden werden können. Dies soll auch mög- lieh sein, wenn Bauteile des Behälters oder Kanals, in dem sich eine Glasschmelze befindet, aus elektrisch leitfähigem Chromoxid bestehen. Nach Möglichkeit sollte auch das Verdunsten von Bestandteilen der Glasschmelze verringert werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens zwei Elektroden, die mit verschiedenen Polen einer Stromquelle verbindbar sind, von oben in die Glasschmelze eintauchen.
Als Pole einer Stromquelle werden im Sinne der vorliegenden Erfindung auch die Phasen und/oder Nullleiter einer Wechselstromquelle angesehen
Auf diese Weise kann zwischen einer von oben in die Glasschmelze eintauchenden Elektrode und einer weiteren von oben in die Glasschmelze eintauchenden Elektrode eine elektrische Spannung angelegt werden, wodurch die Glasschmelze mittels zwischen den Elektroden fließendem elektrischen Strom beheizt wird.
Die Elektroden können bei einer solchen Anordnung tief in die Glasschmelze eintauchen. Durch die an der Elektrodenoberfläche und zwischen den Elektroden eingebrachte Heizleistung wird eine Konvektion des flüssigen Glases über die gesamte Höhe des Kanals ermöglicht. Die Kon- vektion wird vor allem durch die hohe Heizleistung unmittelbar an den Elektroden bewirkt. Da- durch findet eine wesentlich verbesserte Durchmischung des flüssigen Glases und insbesondere eine damit einhergehende Homogenisierung der Temperaturen statt. Dadurch wird auch eine sogenannte Endregelung verhindert. Unter Endregelung versteht der Fachmann in diesem Zusammenhang die Ausbildung bevorzugter Strompfade in Bereichen der Glasschmelze, die lokal eine etwas höhere Temperatur und damit einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen, wodurch die Heizleistung in diesen Bereichen verstärkt und das Temperaturungleichgewicht weiter vergrößert wird.
Eine besondere Problematik besteht dabei darin, das speziell die Glasschmelzen zur Herstellung von Glasfasern bei den erforderlichen Temperaturen in der Größenordnung von 1300 bis 1400° C noch einen relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand haben (ca 100 OHMcm), während ein bevorzugtes Wandmaterial des Kanals, wie z. B. Chromdioxid, bei entsprechenden Temperaturen einen spezifischen elektrischen Widerstand hat, der weniger als ein Zehntel des Wertes für die Glasschmelze beträgt. Gleichzeitig gilt es zu vermeiden, dass ein zu großer Anteil des Stromes über das Wandmaterial fließt, denn die Umsetzung der elektrischen Energie soll gezielt in der Glasschmelze selbst erfolgen, um deren Temperatur schnell und gezielt zu kontrollieren.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können die Temperaturen am Spiegel des flüssigen Glases deutlich erniedrigt werden und liegen nur unwesentlich über einer erforderlichen Tempe- ratur am Boden des Kanals. Dies reduziert Verdampfungsverluste und hat eine erhebliche Energieeinsparung zur Folge. Zudem wird durch die gleichmäßigere Temperatur in der Glasschmelze eine Schlierenbildung erheblich verringert. Bei der Glasfaserherstellung kommt es daher zu weniger Fadenabrissen. Zudem ist es möglich, aufgrund der besseren Homogenität der Temperaturen, Kanäle mit größerer Tiefe bis zu 750 mm aufzubauen und zu verwenden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrisch leitfähige Wandung des Kanals eine Decke des Kanals umfasst, durch welche die Elektroden hindurchgeführt sind.
Der Begriff „Wandung" wird in diesem Zusammenhang als Oberbegriff für alle Begrenzungen des eines Kanals, d. h. Boden, Seitenwände und Decke, verwendet. Die Decke des Kanals reduziert die Energieverluste beträchtlich und trägt somit zusätzlich zu einer homogeneren Temperaturverteilung in der Schmelze bei. Die Decke bietet gleichzeitig die Möglichkeit der Halterung der von oben in die Schmelze eingeführten Elektroden.
Um Elektroden von oben in die Glasschmelze einzutauchen, ist es erforderlich, dass sie die Decke des Kanals, die vorzugsweise aus Chromoxid besteht, durchdringen. Dazu können ein oder mehrere Durchtrittsöffnungen in der Decke vorgesehen werden, deren Innenquerschnitt dem Aussenquerschnitt des jeweils hindurchgeführten Elektrodenabschnittes mit einem gewissen ü- bermaß entspricht. Das übermaß gewährleistet das Bereitstellen eines schmalen Isolierspaltes (vorzugsweise in einer Breite zwischen 0,5 und 5 mm) zwischen den durch die Decke hindurchgeführten Elektrodenabschnitten und dem Rand der Durchtrittsöffnungen, was erforderlich ist, wenn auch die Decke, die die Durchführungsöffnung aufweist, aus einem (bei den auftretenden hohen Temperaturen) elektrisch leitfähigen Material bestehen.
Wenn eine Aussparung in der Decke des Kananls deutlich größer ist als der Querschnitt des hindurchgeführten Elektrodenstabes, so ist es vorteilhaft, die eine oder mehreren Aussparungen durch zusätzliche Verschlusselemente zu verschließen, die ihrerseits eine engere Durchtrittsöff- nung bilden, die nur einen schmalen Isolierspalt zum Elektrodenstab frei lässt. In einer weiteren Ausführungsform ist daher eine Aussparung in einer Decke des Kanals durch ein oder mehrere Verschlusselemente verschlossen, wobei ein Verschlusselement eine Durchtrittsöffnung für eine Elektrode aufweist oder ein oder mehrere Verschlusselemente beim Verschließen einer Aussparung durch ihre Form miteinander oder mit der Aussparung eine Durchtrittsöffnung für eine Elekt- rode bilden. Um den Durchtritt für die Elektroden durch die Verschlusselemente zu ermöglichen, werden diese selbst mit einer Durchlassöffnung versehen oder bilden eine solche, wenn sie aneinander gefügt werden, oder bilden die Durchtrittsöffnung mit der Aussparung in der Decke des Kanals. Es versteht sich, dass auch die Durchtrittsöffnung eines Verschlusselementes so bemessen ist, dass zwischen Elektrode und Rand der Durchlassöffnung ein ausreichender Isolierspalt im Bereich von z. B. 0,5 bis 5 mm Breite verbleibt.wenn auch das Verschlusselement aus einem bei hohen Temperaturen elektrisch leitfähigen Material besteht.
In einer weiteren Ausführungsform steht die Decke des Kanals mit der Glasschmelze in Kontakt.
Durch ein solches Anheben des Pegels der Glasschmelze wird wenigstens ein Teil, vorzugsweise ein Großteil der freien Oberfläche der Glasschmelze vom Kontakt mit der umgebenden Luft abgeschirmt und so auch ein Austrag von leichtflüchtigeren Bestandteilen der Glasschmelze durch Verdunstung und Konvektion mit der umgebenden Atmosphäre verhindert, weil nur noch die Oberfläche der Glasschmelze, die von dem unteren Rand der Durchtrittsöffnungen der Elekt- roden umgeben ist, über den darüber liegenden Isolierspalt mit der Umgebungsluft in Kontakt steht.
Insbesondere in Verbindung mit der vorgenannten Ausführungsform ist die Durchtrittsöffnung so ausgeführt, dass sie auf der Seite, die der Glasschmelze zugewandt ist, einen deutlich größeren Querschnitt aufweist, als in dem Bereich, der der Außenseite des Kanals zugewandt ist. Der im oberen Bereich der Durchtrittsöffnung schmale Isolierspalt ist dann nach unten hin konisch auf- geweitet. Dies insbesondere dann, wenn der Pegel der Glasschmelze bis in die Durchtrittsöffnung hineinreichen kann. Durch den so vergrößerten Weg von der Elektrode bis zur Wand der Durchtrittsöffnung durch die bis dahin reichende Glasschmelze wird der elektrische Widerstand entlang dieses Pfades erhöht, um einen effektiven Kurzschluss zu vermeiden..
Es kann aber zur Vermeidung einer Stromleitung über die Decke des Kanals auch sinnvoll sein, wenn man den Pegel der Schmelze unterhalb der inneren Deckenoberfläche hält.
Der zwischen den Elektroden fließende Strom kann vorzugsweise geregelt werden. Auf diese Weise kann die eingebrachte Heizleistung durch die Vorgabe verschiedener Sollwerte den unter- schiedlichen Gegebenheiten im Kanal angepasst werden. Zudem kann mit Hilfe der Regelung eine konstante Temperatur eingestellt werden, im einfachsten Fall durch Einstellung eines konstanten Stroms. Dies ergibt sich daraus, dass mit höherer Temperatur der Widerstand des flüssigen Glases sinkt, was (bei konstanter Spannung) einen erhöhten Stromfluss zur Folge hätte. Durch eine Begrenzung bzw. die Konstantregelung des Stroms und somit Reduzierung der Spannung wird daher auch zugeführte Heizleistung reduziert und die Temperatur im Bereich zwischen zwei Elektroden geregelt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Quotient aus dem Abstand zwischen zwei benachbarten Elektroden geteilt durch Abstand einer Elektrode zu einer Wand kleiner als 2,75, bevorzugt kleiner als 1 ,5 aber größer als 0,1 und/oder der Quotient aus dem Abstand zwischen zwei benachbarten Elektroden geteilt durch den Abstand einer Elektrode zu dem Boden ist kleiner als 3,5, bevorzugt kleiner als 1 ,5 jedoch größer als 0,1.
Durch eine solche Anordnung beziehungsweise Ausgestaltung der Elektroden wird sichergestellt, dass der weitaus größte Teil der elektrischen Energie innerhalb der Glasschmelze in Wärme umgesetzt wird, während nur ein kleiner Bruchteil innerhalb der Chromoxid-Auskleidung in Wärme umgesetzt wird, wobei dieser Anteil die durch die Kanalwände nach außen abfließende Wärmeenergie je nach Auslegung ganz oder teilweise kompensieren kann. Eine Abschätzung für ein konkretes Ausführungsbeispiel mit einer Kanalbreite von 250 mm, einem lichten Elektrodenab- stand von 60 mm, einem Elektrodenmittenabstand von 150 mm und einem Stromverteiler am unteren Ende der Elektrode mit einem lichten Wandabstand von 40 mm, ergibt einen Anteil der in den Chromoxidwänden des Kanals umgesetzten elektrischen Energie von weniger als 1 %, bezogen auf die insgesamt in der Glasschmelze in Wärme umgesetzte elektrische Energie.
In einer weiteren Ausführungsform sind in dem Kanal wenigstens zwei Elektroden in Längsrichtung des Kanals, hintereinander angeordnet. Die Längsrichtung eines Kanals wird dabei definiert durch das jeweils größere Maß des Kanals in horizontaler Richtung, d. h. durch die jeweils länge- re Seitenwände. Diese Richtung fällt in der Regel auch zusammen mit einer Strömungsrichtung des in den Kanal zugeführten und durch Bodenöffnungen abfließenden Glasstromes.
In noch einer weiteren Ausführungsform ist eine Elektrode in der Mitte zwischen zwei in Längsrichtung verlaufenden, im Wesentlichen parallelen Wänden des Kanals positioniert.
Der lichte Abstand einer Elektrode beispielsweise zu zwei Seitenwänden eines Kanals ist daher jeweils etwa gleich groß und damit insgesamt maximal. Entsprechende Wände müssen im Sinne dieser Erfindung nicht unbedingt parallel zueinander sein, sondern können auch um bis zu 30° oder sogar darüber hinaus zueinander abgewinkelt oder verdreht sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist über dem Kanal ein Oberofen angeordnet. Dieser dient dazu, den Wärmeverlust aus der Glasschmelze auszugleichen und im Falle eines Ausfalls der elektrischen Heizung das Erstarren der Glasschmelze zu verhindern.
In einer weiteren Ausführungsform durchtritt eine Elektrode den Oberofen, wodurch der An- schluss der Elektroden an weitere Stromzuführungselemente in einen kühleren Bereich verlegt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist in der Decke einer hitzebeständigen Chromoxid- Auskleidung des Kanals eine rechteckige Durchtrittsöffnung vorgesehen, durch die die Elektroden, die mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, von oben in das Glas eintauchen und eine Glasschmelze aus E- oder C-Glas homogen beheizen.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Kanal zur Verwendung bei der Herstellung von E- und C- Glasfasern durch Schmelzen von Vormaterial zu einer Glasschmelze gewünschter Viskosität vorgeschlagen, wobei die Glasschmelze über einen Chromoxid-Hauptkanal in einen oder mehrere Seitenkanäle zugeführt wird, die aus dichtem Chromoxid-Material aufgebaut sind, und denen eine Rühranlage, insbesondere eine direkt elektrisch beheizte PGM-Rühranlage, in der ein Rührer vorgesehen ist, vorgeschaltet ist und die Glasschmelze zu mindestens einer be- heizten Glasfaserziehdüse weitergeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer hitzebeständigen Decke des Hauptkanals aus Chromoxid und der Decke des Seitenkanals aus Chromoxid, die in die Glasschmelze eingetaucht sind, eine rechteckige Durchtrittsöffnung vorgesehen
ist, durch die die Elektroden, die mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, von oben in die Glasschmelze eintauchen.
Hinsichtlich der Ausgestaltung entsprechender Elektroden wird eine Elektrode zum Heizen von geschmolzenem Glas mittels Joulescher Wärme vorgeschlagen, die einen hochwarmfesten E- lektrodenstab mit einer langgestreckten Form aufweist, und der ein Anschlussende und ein Eintauchende aufweist, wobei der Elektrodenstab von einer oxidations- und hitzebeständigen Hülse über einen Teil seiner Länge umgeben ist, die an oder nahe dem Anschlussende des Elektrodenstabs endet.
Der Elektrodenstab muss im Sinne dieser Erfindung nicht aus Vollmaterial bestehen, sondern kann auch ein Rohr sein oder eine Bohrung in Längsrichtung aufweisen. Da sich die Elektrode im Betrieb aus der Glasschmelze in einen oxidationsgefährdeten Bereich erstreckt, wird sie nur im Bereich außerhalb der Glasschmelze vor Oxidation geschützt. In diesem Bereich ist die Elektrode von einer oxidationsbeständigen Chromoxid-Hülse umgeben.
In einer weiteren Ausführungsform ist an dem Anschlussende ein Befestigungsflansch mit Befestigungsmitteln angeordnet, mit denen die Elektrode sowohl mechanisch, als auch elektrisch mit Anschlussteilen verbunden werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist an dem Eintauchende des Elektrodenstabs, ein vorzugsweise stab- oder plattenförmiger elektrisch leitfähiger Stromverteiler angeordnet.
Der Stromverteiler dient dazu, Stromeinleitungselemente, die den elektrischen Strom in die Glas- schmelze am bestimmten Orten einleiten, mit dem Elektrodenstab zu verbinden.
In einer weiteren Ausführungsform sind mit dem Stromverteiler wenigstens ein, bevorzugt eine gerade Mehrzahl, wie z. B. zwei, vier oder sechs, stabförmige, elektrisch leitfähige Stromeinleitungsstäbe, die sich horizontal, d. h. im Wesentlichen rechtwinklig zu dem Elektrodenstab, erstre- cken und parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind, elektrisch leitend verbunden (Duplex-Elektrode).
Die Stromeinleitungsstäbe können den Stromverteiler durchdringen, so dass auf beiden Seiten des Stromverteilers Stromeinleitungsstäbe hervorstehen. Die Stromeinleitungsstäbe sind mit dem Stromverteiler mechanisch und elektrisch leitend verbunden. Durch die parallele Anordnung der Stromeinleitungsstäbe können diese alle gleichzeitig strömungsoptimiert in einem Kanal ausgerichtet werden. Zweckmäßig stehen die Stromeinleitungsstäbe außerdem in einem rechten Winkel zur Längsachse der Elektrode. Zweckmäßig haben die Enden der Stromeinleitungsstäbe von
dem Stromverteiler denselben Abstand. Aus zwei Elektroden mit gleichen Stromeinleitungsstäben können dann mehrere Heizstrecken in der Glasschmelze aufgebaut werden, bei denen sich jeweils ein Stromeinleitungsstab von jeder Elektrode einen entsprechenden der anderen Elektrode mit ihren Stirnflächen gegenüberstehen. Die Stromeinleitungsstäbe bestehen selbstverständ- lieh ebenso wie der Verteiler und der Elektrodenstab aus elektrisch leitfähigem Material. Der besondere Vorteil der elektrischen Heizung von E-Glas bzw. dem borfreien E-Glas in einem Chromoxid ausgekleideten Kanal mit Duplex Elektroden und den zugehörigen Stromeinleitungsstäben ist, dass die Wärme in einem definierbaren Volumen in dem Kanal umgesetzt wird, wobei eine Wärmeabgabe der Duplex Elektroden mit waagerechter Hauptausdehnung erfolgt. Dies ist bei dem zur Endregelung neigenden E-Glas oder borfreien E-Glas im Vergleich zu einer senkrechten Hauptausdehnung der Wärmeabgabe besonders vorteilhaft, da mit dieser Anordnung eine verbesserte Konvektion erreicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Stromeinleitungsblech oder ein Stromeinleitungszylin- der oder ein anders geformtes Stromeinleitungselement mit einem Stromverteiler und/oder einem oder mehreren Stromeinleitungsstäben mechanisch und elektrisch leitend verbunden.
Mit solchen Stromeinleitungselementen kann der Stromfluss in die Glasschmelze so eingeleitet werden, dass bestimmte Bereiche der Glasschmelze besonders gut erreicht werden. Außerdem kann die Stromdichte auf der Oberfläche der Stromeinleitungselemente durch Vergrößerung der wirksamen Oberfläche verringert werden, so dass der Abtrag durch die Stromeinleitung verringert wird. Es ist häufig zweckmäßig, die Stromeinleitungselemente parallel zu einer Achse durch die größte Abmessung des Stromverteilers anzuordnen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Elektrodenanordnung vorgeschlagen, bei der wenigstens zwei Elektroden nach einer der vorgenannten Ausführungsformen in einer Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen angeordnet sind, wobei zwei benachbarte Elektroden jeweils den gleichen Abstand von dem Boden des Kanals haben. Der lichte Bodenabstand kann eventuell größer sein als der lichte Seitenwandabstand der Elektroden, insbesondere wenn die Elektroden den Seitenwänden nur eine kleine Stirnflläche zuwenden, während sie sich mit Ihrer größten Längsausdehnung parallel zum Boden erstrecken.
Auf diese Weise kann eine sehr gleichmäßige Stromeinleitung in die Glasschmelze erfolgen, so dass die Temperaturverteilung homogener wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine weitere Elektrodenanordnung vorgeschlagen, bei der wenigstens zwei Elektroden nach einer der vorgenannten Ausführungsformen
in einer Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen angeordnet sind, wobei die Stromverteiler von zwei benachbarten Elektroden parallel zueinander ausgerichtet sind.
Durch eine solche Anordnung der Elektroden wird eine homogene Einleitung von Strom in die Glasschmelze erreicht, insbesondere wenn große Außenflächen der Stromverteiler einander in einem Abstand parallel gegenüberstehen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird noch eine weitere Elektrodenanordnung vorgeschlagen, bei der wenigstens zwei Elektroden nach einer der vorgenannten Ausführungs- formen in einer Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen angeordnet sind, wobei ein Stromeinleitungsstab einer Elektrode zu einem Stromeinleitungsstab einer benachbarten Elektrode fluchtend angeordnet ist.
Durch diese Maßnahme wird eine Heizstrecke zwischen den Enden der beiden Stromeinleitungs- Stäben definiert, die an bestimmten Stellen, beispielsweise über Faserziehdüsen, angeordnet werden kann, um diese besonders zu beheizen. Außerdem lässt sich durch die klaren Verhältnisse von Abstand und Einleitungsdurchmesser der Widerstand und die Heizleistung relativ leicht berechnen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur elektrischen Beheizung einer Glasschmelze vorgeschlagen, bei dem zwischen zwei von oben eine Glasschmelze eintauchenden Elektroden eine elektrische Spannung angelegt wird, die einen Stromfluss durch die Glasschmelze bewirkt, wodurch diese beheizt wird.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird zwischen zwei Elektroden oder zwischen einer Elektrode und einem Teil des Kanals durch die Glasschmelze ein e- lektrischer Stromfluss erzeugt, wobei die Stromstärke auf einen konstanten Wert geregelt wird.
In einer weiteren Ausführungsform das Verfahrens zur Herstellung von E- oder C- Glasfasern durch Schmelzen von Vormaterial zu einer Glasschmelze gewünschter Viskosität, Zuführung dieser Schmelze über einen Hauptkanal in einen oder mehrere elektrisch beheizte Seitenkanäle, die aus dichtem Chromoxid-Material aufgebaut sind, und Weiterführung dieser Schmelze zu mindestens einer beheizten Glasfaserziehdüse, wird das geschmolzene E- oder C-Glas über einen oder mehrere Chromoxid-Hauptkanäle in einen oder mehrere aus dichtem Chromoxid zugestellte Seitenkanäle, denen mindestens eine direkt elektrisch beheizte PGM Rühranlage, in der ein Rührer vorgesehen ist, optional vorgeschaltet ist, und die geschlossen zur Atmosphäre sind, geleitet und durch Stromdurchgang mittels durch die Decke aus Chromoxid, die in die Glasmasse eingetaucht ist, von oben eingeführte Elektroden elektrisch beheizt.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellung mit anderen, der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich sowohl aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, als auch aus den dazu gehörigen Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 in Perspektive einen Hauptkanal, eine Rühreinheit sowie zwei Seitenkanäle und die von oben in die Decke eingelassenen Elektroden,
Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch einen Kanal und die Decke mit einer rechteckigen Durchtrittsöffnung sowie eine Elektrode und ein Verschlusselement,
Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch den Kanal mit den Seitenwänden und dem beheizbaren Oberbau,
Fig. 4 eine Elektrode mit einem Elektrodenstab aus Platin,
Fig. 5 eine Elektrode mit einem Elektrodenstab aus Molybdän,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Duplex-Elektrode mit einem Stromverteiler und den erfindungsgemäßen Stromeinleitungsstäben,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Duplex-Elektrode mit mehreren beidseitig am Stromverteiler angeordneten Stromeinleitungsstäben,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Duplex-Elektrode mit vertikal versetzten Stromeinleitungsstäben,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer Duplex-Elektrode mit zwei vertikal übereinander angeordneten Stromverteilem und Stromeinleitungsstäben,
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht der unteren Bereiche eines Kanals mit vertikalen, von oben angeordneten Duplex-Elektroden,
Fig. 11 einen senkrechten Schnitt durch einen glasführenden Kanal, der mit einem Oberofen sowie der erfindungsgemäßen Duplex-Elektrode ausgeführt ist.
Gemäß Figur 1 wird die fließfähige Glasschmelze 1 von einem nicht dargestellten Schmelzofen in einen Hauptkanal 2 aus Chromoxid geleitet. Dieser wird gemäß der Erfindung elektrisch von o- ben beheizt. über eine direkt elektrisch beheizte optionale Rühranlage 3 aus PGM-Werkstoff wird die Glasschmelze 1 aus dem Hauptkanal 2 in mehrere rechteckige, mit dichtem Chromoxid ausgekleidete Seitenkanäle 6 geleitet, wovon zwei Seitenkanäle 6 dargestellt sind. Der Hauptkanal 2 und die Seitenkanäle 6 bestehen aus Seitenwänden 7, 8, einem Boden 9 und einer Decke 10, sowie einem Verschlusselement 11 als Abschluss. Der Boden 9 jedes Seitenkanals 6 weist in Längsrichtung im Abstand voneinander Schlitzöffnungen 12 mit der darunter angeflanschten Glasfaserziehdüsen 13 auf. Jede Glasfaserziehdüse 13 ist mit öffnungen versehen, durch welche die Glasmasse 1 hindurchtritt und die Glasfasern 14 bildet. Die Kanäle 2 und 6 sind von einer Isolierverkleidung umgeben. Die Glasschmelze 1 füllt den Innenraum 16 der Kanäle 2 und 6 vollkommen aus, und der Glasstand 17 im Innenraum 16 reicht bis in die Decke 10 hinein. Gemäß der Erfindung erstrecken sich die Elektroden 18 von oben durch den Bereich der rechteckigen Aussparung 19 der Decke 10 bis in den Innenraum 16, in dem sich die geschmolzene Glasmasse 1 mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand befindet. Als Chromoxid-Material kann bei- spielsweise ein Material aus 96 % Cr 2 O 3 und 4 % TiO 2 , z.B. der Typ ANTEXON 95 WA, verwendet werden.
Zwei Elektroden 18, die einen lichten Abstand von z. B. 10 bis 100 mm voneinander haben, bilden eine Heizstrecke. Eine Drei-Phasen-Wechselstromquelle (nicht dargestellt) speist die einzel- nen Heizstrecken. Jede Heizstrecke ist mit einer Stromregelung regelbar. Benachbart Elektroden sind mit jeweils einer anderen Phase des Wechselstroms verbunden. Während bei den konkret für die Glasfaserherstellung benötigten Temperaturen der spezifische elektrische Widerstand 20 des Glases deutlich größer ist als der spezifische elektrische Widerstand des Materials der Kanalwandung (Chromoxid),, ist aufgrund der speziellen Geometrie und Anordnung der Elektroden in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Kanalwandung der gesamte elektrische Widerstand der Glasschmelze, die direkt (d. h. ohne Zwischenschaltung irgendeines Teils der Wandung) von Strom zwischen zwei benachbarten Elektroden durchflössen wird, deutlich kleiner als der elektrische Widerstand eines Strompfades, der durch die Glasschmelze von einer Elektrode zu einer
Wand (bzw. Decke oder Boden) des Kanals, entlang dieser Wand und von dort wiederum durch die Glasschmelze zu einer der erstgenannten Elektrode benachbarten Elektrode verläuft. Aus diesem Grund wird die zugeführte elektrische Energie ganz überwiegend in der Schmelze und nicht in der Wand bzw. Wandauskleidung des Kanals in Wärme umgesetzt.
Um eine Verdampfung der Glasbestandteile zu vermeiden, ist die Decke 10 nach Einsatz der Elektroden 18 mit Verschlusselementen 11 bis auf einen schmalen Isolierspalt verschlossen. Wenn die Verschlusselemente in einer relativ dicken Kanaldecke einen ausreichenden Abstand vom Pegel der Glasschmelze haben und eventuell auch separat gekühlt werden können, wäre es auch denkbar, auf den Isolierspalt zu verzichten und isloierende (gegebenenfalls gekühlte) Verschlusselemente zu verwenden. Die Verschlusselemente 11 weisen an einer oder zwei Ecken eine viertelkreisförmige Ausnehmung oder der Mitte einer Seitenfläche eine halbkreisförmige Ausnehmung auf. Werden die Verschlusselemente über der Aussparung 19 zusammengefügt, so entstehen aus den Ausnehmungen kreisförmige Durchtrittsöffnungen 35 für die Elektroden. Die Verschlusselemente 11 können so über der Aussparung 19 entfernt werden, ohne dass die Elektroden demontiert werden müssen .
Zweckmäßig kann über den geschlossen Kanälen 2 und 6 ein nicht dargestellter beheizbarer Oberbau vorgesehen sein, um die Wärmeverluste der Chromoxidabdeckung zu decken.
In Figur 2 ist ein Querschnitt eines Kanals nach Figur 1 gezeigt. Der Kanal besteht aus Seitenwänden 7 und 8, einem Boden 9 und einer Decke 10 aus Chromoxid. Die Decke 10 weist eine Aussparung 19 auf, die durch ein Verschlusselement 11 verschlossen ist. Durch das Verschlusselement tritt eine Elektrode 18 hindurch und erstreckt sich bis unterhalb des Glasstands 17 im Innenraum 16 mit der Glasschmelze 1. Die Bauteile aus Chromoxid sind von einem Isoliermaterial 15 umgeben. Der Boden des Kanals weist eine Schlitzöffnung 12 auf, unter der eine Glasfaserziehdüsenplatte 13 angeordnet ist. Aus dieser treten Glasfasern 14 aus.
In Figur 3 ist ein mit Chromoxid ausgekleideter Kanal 6 aus einem Boden 9 und Seitenwänden 7 und 8 mit einem beheizbaren Oberbau 26 dargestellt, wobei die Elektrode 18 durch den Oberbau 26 geführt wird und im Innenraum 16 des Kanals in die Glasmasse 1 eintritt.
Figur 4 ist eine Elektrode 18a mit einem Kern aus P G M -Werkstoff mit einem Befestigungsflansch
23 aus Inconel oder einem anderen Material mit hohem Nickelgehalt dargestellt. An dem Befesti- gungsflansch 23 sind Befestigungsmittel, z. B. Durchgangsbohrungen durch den Flansch, angeordnet. Zur Stabilisierung kann der Kern 24 aus Vollmaterial bestehen. Alternativ kann der Kern
24 mit einer Bohrung versehen oder auch ein Rohr sein. Auch Molybdän ist als Kernmaterial 24 einsetzbar, allerdings nur mit einer Diffusionssperre (nicht dargestellt) aus AI 2 O3, Zrθ 2 oder
ZrSiO 4 zu dem Halter aus Inconel.
In Figur 5 ist eine Elektrode 18b mit einem Kern 24 aus Molybdän dargestellt. Zum Schutz vor Oxidation wird das Molybdän an den gefährdeten Bereichen der Elektrode 18b mit einer Schutz- hülse 25 aus Nickel oder einer Nickellegierung ausgestattet. Um unkontrollierbare Diffusion von Molybdän in die Nickel bzw. Nickellegierung der Hülse zu vermeiden, wird eine Barriereschicht aus AI 2 O 3 , Zrü 2 oder ZrSiO 4 , nicht dargestellt, zwischen der Hülse und dem Kern aufgebracht.
In Figur 6 erkennt man in einer perspektivischen Ansicht eine Duplex-Elektrode 18c im montier- ten Zustand. Sie weist einen Befestigungsflansch 23 aus hochwarmfesten Stahl auf, in den der
Elektrodenstab 24, 24a eingepasst oder eingeschraubt ist. Der vertikale Elektrodenstab 24, 24a ist aus dem bewährten Materialien Molybdän, Wolfram oder einem PGM-Werkstoff hergestellt und ist im oberen Bauabschnitt 24 verjüngt, wobei dieser Teil einen Durchmesser von 5 - 50 mm aufweist. Im unteren Bauabschnitt 24a ist der Elektrodenstab massiver und hat eine Stärke von 10 bis 60 mm.
Am unteren Ende des massiveren Teils des Elektrodenstabs 24a ist ein Gewindezapfen vorgesehen (nicht dargestellt), der den Stromverteiler 27 mit den Stromeinleitungsstäben 28 aufnimmt. Der Stromverteiler 27 weist einen Querschnitt von 0,1 - 25 cm2 oder darüber auf. Der Stromver- teuer 27 kann zylinderförmig, plattenförmig quaderförmig, oder in einer anderen geometrischen Gestaltung ausgeführt sein. Die Längen der Stromeinleitungsstäbe 28 und des Verteilers richten sich nach der Breite des Kanals und liegen typisch im Bereich von 2 bis 500 mm
Das Metall Molybdän wird durch Oxidation zerstört, wenn es Sauerstoff bei Temperaturen ober- halb von 600 0 C ausgesetzt wird. Zum Schutz vor Oxidation sind alle Bauteile der Elektrode, zumindest wenn sie aus Molybdän hergestellt sind, das heißt, der Elektrodenstab 24, 24a, der Stromverteiler 27, Stromeinleitungsstäbe 28, Stromeinleitungselemente 29a, 29b, 29c und 29d der Elektrode 18c sind mit einer Diffusionssperre 30 beschichtet, beispielsweise mit einer Silizium-Bor-Schicht (z.B. eine SIBOR ® Schicht) oder mit einer Schicht aus AI 2 O 3 , Zrü 2 oder ZrSiO 4 . Die Schutzdauer dieser Oxidationsschichten reicht zeitlich aus, bis geschmolzenes Glas eine Versiegelung des Molybdäns übernimmt.
Im Bereich der Dreiphasengrenze ist der Einsatz einer isostatisch gepressten Hülse 25 aus Chromoxid vorgesehen. Dieses Material zeigt bei den auftretenden Betriebstemperaturen prak- tisch keine Korrosion. Dementsprechend ist eine aus dichtem Chromoxidmaterial bestehende rohrförmige Hülse 25 mit geringem radialem Spiel zum massereduzierten Abschnitt des Elektrodenstab 24 angeordnet. Das untere Ende der Hülse 25 stützt sich auf eine Stirnfläche 31 zwischen den Abschnitten des Elektrodenstabs 24 und 24a ab und ist dadurch gegen Abrutschen
gesichert. In den Ringspalt zwischen der Hülse 25 und dem Elektrodenstab 24, 24a und über die Stirnfläche 31 eindringende Glasschmelz erreicht die Höhe des Glasstandes im Kanal. Die Viskosität der konventionellen Glasfaser-Glasschmelze unter Betriebsbedingungen im Chromoxid Kanal liegt bei ca. 40 - 80 Pa s, so dass in diesem Bereich eine einwandfreie Verglasung stattfin- det.
Das obere Ende der rohrförmigen Hülse 25 aus Chromoxid ist mit einer wenige Zehntelmillimeter dicken Platinbeschichtung 32 auf einer Länge von 10 bis 50 mm oder mehr geschützt. Die Platinschicht 32 wird im Plasmaspritzverfahren aufgetragen. Der beschichtete Bereich 32 der Hülse 25 aus Chromoxid ist mit dem hochwarmfesten Befestigungsflansch 23 über eine Hülse aus PGM- Werkstoff 33 von geringer Wandstärke luftdicht verschweißt, so dass die Hülse 25 aus Chromoxid am oberen Ende luftdicht verschlossen ist. Die Hülse 25 aus Chromoxid kann je nach Erfordernissen von außen und innen beschichtet sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Hülse 25 aus Chromoxid außen und innen von einer Hülse aus PGM-Werkstoff 33 umgeben. Durch diese Konstruktion ist ein wirksamer luftdichter Verschluss zwischen der Chromoxidhülse 25 und dem Elektrodenstab 24 an deren oberen Enden gewährleistet. Etwaige Luft, die zwischen der Hülse 25 aus Chromoxid und dem mit einer Diffusionssperre 30 versehenen Elektrodenstab 24 aus Molybdän einge- schlössen ist, ist schnell verbraucht und verliert damit ihre Wirkung.
In Figur 7 sind an beiden Seiten des Stromverteilers 27 Stromeinleitungsstäbe 28 in einer horizontalen Ebene angeordnet. Sie haben an der Verbindungsstelle mittels Schweißnaht oder durch eine Verschraubung guten elektrischen Kontakt und sorgen so für einen optimalen Stromfluss. Die Stromeinleitungsstäbe 28 weisen eine Stärke von 3 bis 30 mm und mehr auf, wobei sie eine Länge von 2 bis 200 mm, in manchen Ausführungsformen bis 500 mm oder darüber aufweisen können.
Figur 8 zeigt perspektivisch eine Duplex-Elektrode 18c, bei der die Stromeinleitungsstäbe 28 auf einer Seite eines Stromverteilers 27 vertikal zueinander versetzt angeordnet sind. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Stromverteiler 27 mit einem Stromeinleitungselement 29c, das als horizontales Blech ausgeführt ist, versehen. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass an beiden Seiten des Stromverteilers 27 Stromeinleitungselemente 29c angeordnet sind. Das Stromeinleitungselemente 29c kann auch direkt mit dem massiveren Abschnitt 24a des Elektro- denstabs verbunden sein.
Figur 9 zeigt perspektivisch eine Duplex-Elektrode 18c, bei der zwei Stromverteiler 27 mit Stromeinleitungsstäben 28 vertikal übereinander angeordnet sind.
Figur 10 zeigt den Bereich eines offenen Kanals 6 für schmelzflüssiges Glas, der aus dichtem isostatisch gepresstem Chromoxid Material aufgebaut ist. Beim Düsenziehverfahren von Glasfasern 14 fließt das Glas aus dem Kanal in die unter dem Boden des Kanals installierten - Glasfaserdüsen 13. Am Boden der Düsen 13 befinden sich Lochnippel, aus deren Bohrungen das Glas in Form von Glasfäden 14 austritt. Bei der dargestellten Ausführung sind die luftgekühlten Duplex-Elektroden in einem Kanal 6 aus Chromoxid in einem Abstand zwischen 50 und 800 mm so angeordnet, so dass sie in die geschmolzene Glasmasse eintauchen.
Außerhalb des glasführenden Kanals weisen die Duplex-Elektroden 18c einen Befestigungsflansch 23 und einen dünneren Abschnitt des Elektrodenstabs 24 auf, der durch eine Hülse 25 geschützt ist. Im Aufheizzustand des Kanals betragen die Temperaturen für E-Glas bzw. für borfreies E-Glases ca. 1.300 - 1.400 0 C, was einer Viskosität von ca. 20 Pa s entspricht. Das untere Ende der Hülse 25 aus Chromoxid taucht zusammen mit dem massiveren Elektrodenab- schnitt 24a in das geschmolzene E- Glas ein. An dem Elektrodenabschnitt 24a erstreckt sich in Querrichtung zu dem glasführenden Kanal 6 der Stromverteiler 27, der quaderförmig ausgeführt ist. Die Stromeinleitungsstäbe 28 sind in Längsrichtung des Kanals und an beiden Selten des Verteilers 27 angeordnet.
An zwei Duplex-Elektroden sind zwei Stromeinleitungsstäbe 28 durch ein Stromeinleitungselement 29b, das als kurzes Verbindungsblech ausgeführt ist, bzw. durch ein Stromeinleitungselement 29a, das als langes Verbindungsblech 29a ausgeführt ist, um die zulässige Stromdichte an den Stromeinleitungsstäben 28 nicht zu überschreiten. In einer anderen Variante sind zwei Stromeinleitungsstäbe 28 durch einen weiteren Typ Stromeinleitungselement 29d verbunden, das als Stab ausgeführt ist, um so dem Elektrodenabbrand entgegenzuwirken.
Die Duplex-Elektroden 18c werden von einer nicht dargestellten Stromquelle, vorzugsweise einer Drei-Phasen-Wechselstromquelle, gespeist, die die Leistung über einen Transformator auf eine Steuerschaltung gibt. Durch die Steuerschaltung können die Heizstrecken unterschiedlich mit Strom versorgt werden. Eine Heizstrecke ist der Abstand zwischen zwei Elektroden 18c. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Elektroden 18c in Reihe geschaltet. Zwecks gleichmäßiger Belastung des Betriebsstromnetzes werden alle drei Netzphasen zur Beheizung herangezogen. Die Beheizung des Drehstromtransformators erfolgt über die Phasen L1 - L2, L2 - L3 und L3 - L1. Die Heizstrecken zwischen den Enden zweier Stromeinleitungsstäbe 28 von sich gegenü- berstehenden Stromverteilern sind durch die Stromverteiler 27 parallel geschaltet, wodurch eine einheitliche Temperaturverteilung in einem gewünschtem Glasvolumen innerhalb des mit Chromoxid ausgekleideten Kanals 6 entsteht.
Die Duplex-Elektroden sind in Bezug auf die Platin-Glasfaserziehdüse so angeordnet, dass die Temperatur von in den Düsen 13 befindlicher Glasschmelze durch Veränderung der Heizleistung einer Heizstrecke beeinflusst werden kann. Mit Hilfe eines Thermoelements kann die Temperatur an den Düsen über die elektrische Heizleistung einer entsprechenden Heizstrecke geregelt wer- den.
Obwohl in Figur 10 bestimmte Typen von Duplex-Elektroden in einem Kanal gezeigt sind, sind beliebige Kombinationen von Typen von Duplex-Elektroden wie auch eine Ausführung des
Kanals mit nur einem Typ Duplex-Elektroden in dem Kanal je nach den Gegebenheiten des Kanals sinnvoll. Auch der Abstand der Duplex-Elektroden voneinander muss nicht immer gleichmäßig sein.
Fig. 11 zeigt einen geschlossenen Kanal, der Seitenwände 7 und 8, einen Boden 9 und einer Decke 10 umfasst. Der Boden 9 weist in Längsrichtung des Kanals zueinander beabstandete
Schlitzöffnungen 12 mit darunter angeflanschten Glasfaserziehdüse 13 auf. Jede Düse 13 ist mit
Lochnippeln versehen, durch welche die Glasmasse hindurchströmt und die Glasfasern 14 bildet.
Die Glasmasse füllt den Innenraum 16 des Kanals vollkommen aus. Der Glasstand 17 steht in der Decke 10, durch die die Duplex-Elektrode 18c in die Glasschmelze eintaucht. In Querrichtung zum Kanal 6 erstreckt sich ein Stromverteiler 27, der stabförmig ausgeführt ist und an dem sieben Stromeinleitungsstäbe 28 angeordnet sind.
In der dargestellten Variante betragen der Abstand der rohrförmigen Hülse 25 aus Chromoxid und der Abstand des Stromverteilers 27 zu den Begrenzungen der Chromoxid-Auskleidung 7, 8,
9 und 10 des Kanals 1 mm oder mehr. In einer anderen Variante betragen der Abstand der Hülse
25 und der Abstand des Verteilers 27 zu der Chromoxid-Auskleidung 7, 8, 9 und 10 des Kanals
200 mm oder weniger. .Insbesondere kann in dem mit Glasschmelze beaufschlagten Bereich des
Kanals der lichte Abstand einer Elektrode zu der Kanalwandung mindesten 1 mm, bevorzugt mindestens 5 mm und bis zu 300 mm betragen
Im Hinblick auf die Widerstandsverhältnisse des E-Glases bzw. des borfreien E-Glases und der Chromoxid-Auskleidung ist die Breite des Kanals (A) vorzugsweise so gewählt, dass der Wert (A/B), den man durch dividieren der Breite des Chromoxid-Kanals (A) durch die Länge des Ver- teilers (B) erhält, im Bereich von 1 ,003 bis 40 liegt.
In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Höhe des Chromoxid Kanals 70 mm bis 500 mm. Das Verhältnis der Höhe (C) des Chromoxid Kanals zu der vertikalen Stärke (D) der Elekt-
rode (ohne Berücksichtigung des sich vertikal erstreckenden Elektrodenstabes) liegt zwischen 2 und 50
Die Decke 10 aus Chromoxid ist mit Bohrungen 35 versehen, durch die Duplex-Elektroden 18c geführt werden. Der untere Bereich der Bohrung 35 in der Decke 10 ist konisch erweitert, um hier den benötigten Abstand zur Hülse 25 zu erhalten. Der Glasstand 17 steht innerhalb des konischen Teils der Bohrung 35.
Zweckmäßig ist über dem geschlossen Chromoxid-Kanal 6 ein schwach beheizter Oberofen 26 installiert, der bei Betriebstörungen und zur Deckung der Wärmeverluste bereitsteht. In diesem Fall ist die Duplex-Elektrode 18c durch eine Hülse 25 aus Keramik, in dieser Ausführung aus Chromoxid, geschützt. Die oberhalb der Decke 10 aus Chromoxid erforderlichen Brenner 34, haben durch diese Konstruktion keinen Einfluss auf die Glasoberfläche.
Bezugszeichen:
1 Glasschmelze
2 Hauptkanal/-kanäle mit Chromoxidauskleidung
3 PGM Rühranlage
4 Bodenglasablauf
5 PGM Rührer
6 Seitenkanal/-kanäle mit Chromoxidauskleidung
7 Seitenwand
8 Seitenwand
9 Boden
10 Decke
1 1 Verschlusselemente
12 Schlitzöffnung
13 Glasfaserziehdüsenplatte
14 Glasfaser
15 Isolierverkleidung
16 Innenraum
17 Glasstand im Kanal
18 Elektrode
18a Elektrode aus PGM-Werkstoff
18b Elektrode aus Molybdän
18c Duplex-Elektrode
19 Rechteckige Aussparung
20 Elektrischer Widerstand zwischen zwei Elektroden
21 Elektrischer Widerstand Decke/Seite/Boden und von einer Elektroden zur Seiten begrenzung
22 Lichter Elektrodenabstand
23 Befestigungsflansch
24 Elektrodenstab
24a Stärkerer Teil des Elektrodenstabs
25 Chromoxid Hülse
26 Oberofen
27 Stromverteiler
28 Stromeinleitungsstab
29a Stromeinleitungselement (langes vertikales Blech)
29b Stromeinleitungselement (kurzes vertikales Blech)
29c Stromeinleitungselement (horizontales Blech)
29d Stromeinleitungselement (Stab)
30 Diffusionssperre
31 Stirnfläche
32 Platinbeschichtung
33 Hülse aus PGM-Werkstoff
34 Brenner
35 Bohrung, Durchtrittsöffnung
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